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滑模变结构控制的基础理论综述
目录
TOC\o1-2\h\u23972滑模变结构控制的基础理论综述 1
123281.1滑模变结构控制的基本概念 1
69或者 2
121271.2滑模控制系统的设计 2
8306求解控函数 3
31748(1)滑动模态存在; 3
79641.3滑模控制律设计 4
3542st=c?t+?t (3-10) 4
34131.4系统描述 5
28865因此 6
1.1滑模变结构控制的基本概念
滑动模态定义及数学表达考虑一般的情况,在系统
x=fx
的状态空间中,存在一个超曲面sx
图1切换面的三种点的特点
它把状态空间分成两部分,一个是上部分,一个是下部分∶s0及s0。在切换面上有个运动点,且存在三种情况∶
(1)通常点——系统运动点运动到切换面s=0附近时,穿越此点而过(点A)。
(2)起始点——系统运动点到达切换面s=0附近时,向切换面的该点的两边离开(点B)。
(3)终止点——系统运动点到达切换面s=0附近时。从切换面的两边趋向于该点(点C)。
在滑模变量结构中,特殊的意义并没有在通常点和起始点中所被体现,但是特殊的意义却被在终止点上体现的淋漓尽致,因为在切换表面上,如果某个区域中的所有点都被称为终止点,则在这个区域,有个移动点向其靠近时,则在这个区域内,此点会被招引过来的。此时,一个叫“滑动模态”的区域被创建,或者简称为“滑模”区域,它是将切换面s=0上的所有移动点均就被叫做终止点。因此在滑动模式区域中,系统的运动就会被称为“滑模运动”。
按照滑动模态区上的运动点都必须是终止点这一要求,当运动点到达切换面Sx
lims→0+s
或者
lims→0
也可写成
lims→0s
1.2滑模控制系统的设计
在设计控制系统时,滑模控制是一个很通用的好方法。它在各种控制系统中被使用,例如高阶与低阶,确定性与不确定性,线性与非线性。是一种综合设计方法。在滑模控制系统的设计中,有两个方面的问题有待研究:
(1)切换函数的选择,即切换面sx
(2)求取系统控制u+(x),u?
例如,设有一套控制系统
x=fx,u,tx∈
需要确定切换函数
s(x)s∈Rm
求解控函数
u=u+
其中u+
(1)滑动模态存在;
(2)使得可达性研究条件被满足,在一定的的时间内,在切换面sx
(3)滑模运动的稳定性被保证;
(4)控制系统的动态品质要求被达到。
针对线性系统
x=Ax+bu,x∈R
滑模面设计为
s
=i=1n?1
式中:x状态向量;
C=
在滑模控制中,参数C1,C2,?,
例如,当n=2时,sx=C1x1+x2,为了使多项式p+C1为Hurwitz被确定,需要多项式P+
不妨取p2+2λp+λ=0,则(p+λ)2=0,取λ0可满足多项式P2+C2p+
1.3滑模控制律设计
针对跟踪问题,设计滑模函数为
st=c?
式中:?t
?t其变化率,c必须满足Hurwitz条件,即c0
当st=0时,c?t+?t=0,?
ln
收敛结果为?
即当t→∞时,误差指标收敛到零,收敛速度取决于c值。
如果可以通过利用内部控制率的设计,保证s(t)指数收敛于零,则当t→∞时,误差变化率与指数收敛于零是相等的。
1.4系统描述
考虑如下被控对象:
Jθt
式中:J转动惯量;
θ(t)角度;
ut
?t外加干扰;?
定义跟踪误差函数s为
s=c?+
其中,c0。
由式可见,当st=0时,c?t+?t=0,收敛结果为?t=e0??ct。即当
设计滑模函数为
s
其中,c必须满足Hurwitz条件,即c0。
跟踪误差及其导数为
?t=θ
其中,θd
定义Lyapunov函数为
V=
因此
s
=c?t
并且
s
为了使ss0
ut=J
因此可得出
V
=s
=?η
=?n
当V≡0时,s≡0,由LaSalle不变性原理可知,闲环系统逐渐地向稳定靠近,当t→∞时,s→0,且s收速度取决于η
从控制定律的表达可以看出,当扰动?t较大时,为了鲁棒性的稳定不变,必须使足够大的干扰上限被保证,而较大的上限D会使抖振被引起。